forces de van der Waals

Les forces de Van der Waals sont le nom collectif donné aux interactions intermoléculaires responsables des faibles attractions entre les espèces chimiques neutres telles que les atomes et les molécules. Ce sont des forces relativement faibles, à très courte portée et qui sont constituées de la somme de trois types de forces différentes qui peuvent ou non être présentes simultanément. Ces trois forces sont les forces Keesom, les forces Debye et les forces de dispersion de Londres.

Bien qu’il s’agisse d’interactions beaucoup plus faibles que les forces de liaison présentes dans les liaisons ioniques, métalliques et covalentes, elles peuvent devenir considérables lorsque les molécules impliquées sont suffisamment grandes.

Les forces de Van der Waals sont responsables de la capacité du gecko et des arthropodes à escalader des surfaces très lisses telles que le verre et la céramique.

Ils sont également responsables des forces d’adhérence entre les différentes surfaces et le ruban, ainsi que d’autres substances collantes. En fait, le ruban adhésif existe grâce aux forces de van der Waals. Ces forces sont suffisamment fortes à courte distance pour maintenir ensemble les pièces que nous voulons assembler (comme les couvercles d’une boîte en carton, par exemple), mais en même temps elles sont suffisamment faibles pour que nous puissions facilement les détacher.

Caractéristiques des forces de van der Waals

• Comme toutes les interactions entre atomes et molécules, les forces de van der Waals sont d’origine électrostatique.
• Ce sont des forces à très courte portée, ce qui signifie qu’elles ne sont significatives que lorsque les molécules sont très proches les unes des autres et disparaissent rapidement à mesure qu’elles s’éloignent.
• Lorsque deux molécules se rapprochent, en dessous d’une certaine distance minimale, les forces de van der Waals deviennent répulsives. Cela garantit que les atomes et les molécules ne s’effondrent pas les uns dans les autres.
• Ce sont des forces faibles par rapport aux liaisons ioniques et covalentes. En effet, des forces attractives existent entre de petites charges partielles, dont certaines n’existent que pendant de très courtes périodes de temps.
• Certaines des composantes des forces de van der Waals n’ont pas de directionnalité. Cela signifie que deux molécules suffisamment proches ressentiront toujours une force d’attraction l’une vers l’autre, quelle que soit leur orientation l’une par rapport à l’autre.
• Ils sont additifs, ce qui, combiné à leur manque de directionnalité, signifie qu’ils peuvent devenir considérablement intenses si la surface de contact entre deux molécules est suffisamment grande.
• Toutes les composantes des forces de van der Waals, à l’exception des forces de Keesom, sont indépendantes de la température.
• Ils peuvent se produire entre n’importe quel atome ou molécule, quelle que soit sa structure ou sa composition.

Composantes des forces de Van der Waals

Les forces de Van der Waals correspondent à la somme de trois types différents de forces attractives. Certains de ces composants sont toujours présents quels que soient les atomes ou les molécules en question, tandis que d’autres n’apparaissent que dans le cas des molécules polaires. Ces trois composants sont :

Forces de Keesom ou interactions dipôle-dipôle

Des trois composantes des forces de Van der Waals, les interactions les plus intenses sont celles qui proviennent de l’attraction entre les pôles opposés des molécules polaires, c’est-à-dire celles qui ont un dipôle permanent. Ces types de forces ou d’interactions entre deux dipôles permanents sont appelées forces de Keesom, du nom du physicien néerlandais Willem Hendrik Keesom qui les étudia au début du XXe siècle.

Dans ces cas, la charge positive partielle (δ+) du dipôle d’une molécule polaire est attirée (et inversement) par la charge négative partielle (δ-) du dipôle d’une seconde molécule également polaire. Ces molécules peuvent être identiques les unes aux autres ou non.

Les forces de Keesom sont principalement responsables de la solubilité des substances polaires dans les solvants polaires. De plus, pour des raisons évidentes, ils ne se produisent qu’entre molécules polaires.

Forces de débye ou interactions dipôle-dipôle induites

Lorsqu’une molécule qui a un dipôle permanent (une molécule polaire) s’approche d’une molécule neutre qui est non polaire, ou s’approche de la partie non polaire d’une molécule amphipathique (qui a une tête polaire et une queue non polaire), la charge partielle du dipôle attirera les électrons de la surface de la deuxième molécule (si elle est partiellement positive) ou les repoussent (si elle est partiellement négative). L’effet est que la répartition des électrons à sa surface sera déformée dans la molécule non polaire, induisant la formation d’un petit dipôle. Ce dipôle induit est alors attiré par le dipôle de la molécule polaire.

Ces types d’interactions entre un dipôle permanent et un dipôle induit sont appelés forces de Debye et correspondent à la seconde composante en intensité des forces de van derWaals.

Forces de dispersion de Londres ou interactions dipôle induites dipôle induit

Dans les cas où une molécule n’a pas de moment dipolaire permanent ou dans le cas d’atomes neutres qui ne peuvent pas avoir de dipôles, il y a toujours la possibilité qu’une force attractive appelée force de dispersion de Londres apparaisse, du nom de Fritz London qui l’ a caractérisée en 1930.

Dans ce cas, l’attraction se situe entre de minuscules dipôles instantanés qui apparaissent et disparaissent à la surface de tous les atomes et molécules du fait que les électrons sont des particules qui ne peuvent pas être partout en même temps. En raison de son mouvement constant, il y a des moments où il y a plus d’électrons d’un côté d’un atome ou d’une molécule que de l’autre. Cette répartition non uniforme des charges électriques donne naissance à un petit dipôle qui disparaît dès que les électrons, qui ne restent jamais immobiles, reviennent de l’autre côté de la molécule.

Leur courte durée les fait appeler dipôles instantanés, et ils apparaissent et disparaissent avec une fréquence surprenante à la surface d’absolument toutes les substances chimiques, qu’il s’agisse de molécules, d’atomes ou d’ions. Chaque fois que deux molécules se rapprochent, il y aura des forces d’attraction entre les dipôles instantanés d’une molécule avec ceux de l’autre. Lorsqu’un de ces dipôles disparaît, un autre apparaît de l’autre côté, et il y aura toujours un certain nombre de dipôles attractifs dans les deux molécules à un instant donné.

Les forces de London sont les seules interactions intermoléculaires présentes dans les composés non polaires et, de plus, elles sont le composant le plus faible de toutes les forces de van der Waals. Or, plus la surface de contact entre deux molécules est grande, plus le nombre de dipôles instantanés les attirant l’un vers l’autre est grand, de sorte que les forces de Londres peuvent devenir considérables dans le cas de macromolécules apolaires comme les polymères qui forment les plastiques.

Exemples de forces de van der Waals

• Interactions dipôle-dipôle entre deux molécules d’eau.
• La force d’adhérence du ruban d’emballage.
• Lors de la condensation de gaz nobles tels que l’argon ou le krypton, les forces qui maintiennent les atomes ensemble sont les forces de dispersion de Londres.
• Interactions dipôle-dipôle induites entre une molécule de méthanol et la queue aliphatique d’un triglycéride.
• Les forces dipôle-dipôle induites qui se produisent entre les molécules d’eau (qui sont polaires) et les molécules d’oxygène gazeux (qui sont non polaires) lorsque ce gaz se dissout dans l’eau.
• Dans le cas des plastiques tels que le polyéthylène , les forces de Londres qui se produisent entre les longues chaînes non polaires des groupes –CH ₂ -.
• L’adhérence des coussinets du gecko aux surfaces polies telles que le verre.
• Les forces qui maintiennent ensemble les molécules de brome (Br ₂ ) à l’état liquide et d’iode (I ₂ ) à l’état solide à température ambiante.

Les références

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